DE10048410A1

DE10048410A1 - Dielektrische Barriere-Entladungslampe

Info

Publication number: DE10048410A1
Application number: DE10048410A
Authority: DE
Inventors: Werner Berlinghof; Rolf Baeuerle; Gerhard Doell
Original assignee: Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2000-09-29
Filing date: 2000-09-29
Publication date: 2002-04-11
Also published as: KR100887780B1; WO2002027747A1; US20020163306A1; EP1232514A1; KR20020085881A; CA2392842A1; TW516068B; CN1217375C; JP2004510302A; CN1393026A; DE50115175D1; EP1232514B1; US6605899B2

Abstract

Das Entladungsrohr (1) einer dielektrischen Barriere-Entladungslampe ist mit Hilfe eines tellerförmigen Verschlusselements (7) verbindungsmittelfrei gasdicht verschlossen. Zu diesem Zweck weist das Entladungsrohr (1) eine Verengung (10) auf, die den Rand des tellerförmigen Verschlusselements (7) ringförmig umschließt.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine dielektrische Barriere-Entladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es handelt sich dabei um eine Entladungslampe, bei der entweder die Elekt roden einer Polarität oder alle Elektroden, d. h. beiderlei Polarität, mittels ei ner dielektrischen Schicht von der Entladung getrennt sind (sogenannte ein seitig bzw. zweiseitig dielektrisch behinderte Entladung). Derartige Elektro den werden im folgenden auch verkürzend als "dielektrische Elektroden" bezeichnet. Die Polarität der Elektroden kann dabei im Betrieb durchaus auch wechseln, d. h. jede Elektrode fungiert abwechselnd als Anode bzw. Ka thode. Dann ist es allerdings vorteilhaft, wenn sämtliche Elektroden eine die lektrische Behinderung aufweisen. Für weitere Details sei auf die Schrift EP 0 733 266 B1 verwiesen, in der eine besonders bevorzugte Betriebsweise für dielektrische Barriere-Entladungslampen beschrieben ist.

Die eingangs erwähnte dielektrische Schicht kann durch die Wand des Ent ladungsgefäßes selbst gebildet sein, indem die Elektroden außerhalb des Ent ladungsgefäßes, etwa auf der Außenwand, angeordnet sind. Andererseits kann die dielektrische Schicht auch in Gestalt einer zumindest teilweisen Umhüllung oder Beschichtung mindestens einer innerhalb des Entladungs gefäßes angeordneten Elektrode - im Folgenden auch verkürzend als Innen elektrode bezeichnet - realisiert sein. Das hat den Vorteil, dass die Dicke der dielektrischen Schicht auf die Entladungseigenschaften hin optimiert werden kann. Allerdings erfordern Innenelektroden gasdichte Stromdurchführun gen. Dadurch sind zusätzliche Fertigungsschritte erforderlich.

Lampen der gattungsgemäßen Art werden insbesondere in Geräten für die Büroautomation (OA = Office Automation), z. B. Farbkopierer und -scanner, für die Signalbeleuchtung, z. B. als Brems- und Richtungsanzeigelicht in Au tomobilen, für die Hilfsbeleuchtung, z. B. der Innenbeleuchtung von Auto mobilen, sowie für die Hintergrundbeleuchtung von Anzeigen, z. B. Flüssig kristallanzeigen, als sogenannte "Edge Type Backlights" eingesetzt.

In diesen technischen Anwendungsfeldern sind sowohl besonders kurze An laufphasen, aber auch möglichst temperaturunabhängige Lichtströme erfor derlich. Deshalb enthalten diese Lampen üblicherweise kein Quecksilber. Vielmehr sind diese Lampen typischerweise mit Edelgas, vorzugsweise Xe non, bzw. Edelgasmischungen gefüllt. Während des Lampenbetriebs entste hen innerhalb des Entladungsgefäßes insbesondere Excimere, beispielsweise Xe₂*, welche eine Molekülbandenstrahlung mit einem Maximum bei ca. 172 nm emittieren. Je nach Anwendung wird diese VUV-Strahlung mittels Leuchtstoffe in sichtbares Licht umgewandelt.

Stand der Technik

In der Schrift WO 98/49712 ist eine rohrförmige Barriere-Entladungslampe mit zumindest einer streifenförmigen Innenelektrode offenbart. Ein Ende des rohrförmigen Entladungsgefäßes der Lampe ist mit einem Stopfen gasdicht verschlossen, der mittels Glaslot mit einem Teil der Innenwand des Entla dungsgefäßes verschmolzen ist. Die streifenförmige Innenelektrode ist durch das Glaslot hindurch als Stromzuführung nach außen geführt. Nachteilig ist, dass zwischen Stopfen und Gefäßwand eine Glaslotschicht als gasdichtes Verbindungsmittel erforderlich ist.

Darstellung der Erfindung

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den vorgenannten Nachteil zu vermeiden und eine dielektrische Barriere-Entladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 mit einer verbesserten, verbindungsmitelfreien Verschlusstechnik bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird bei einer Lampe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des An spruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.

Ferner wird Schutz für ein Verfahren zu Herstellung dieser Lampe gemäß den Merkmalen des Verfahrensanspruchs beansprucht.

Erfindungsgemäß ist das Entladungsrohr der dielektrischen Barriere- Entladungslampe zumindest an einem seiner beiden Enden mit Hilfe eines tellerförmigen Verschlusselements verbindungsmittelfrei gasdicht verschlos sen, indem das bzw. jedes der beiden Verschlusselemente an dem jeweiligen Ende innerhalb des Entladungsrohres angeordnet und über seinen gesamten Umfang unmittelbar mit der Innenwand des Entladungsrohres gasdicht ver bunden ist. Wie weiter unten detailliert ausgeführt ist, geschieht dieses gas dichte Verbinden, indem die Innenwand und der Rand des tellerförmigen Verschlusselements bis zur jeweiligen Erweichungstemperatur erwärmt werden. Dafür wird der Kürze wegen auch der Begriff "Verschmelzen" ver wendet, der allerdings dahingehend verallgemeinert zu verstehen ist, dass die Materialien der beiden zu verbindenden Elemente nicht unbedingt innig miteinander verschmolzen sein müssen. Wesentlich ist nur, dass eine gas dichte Verbindung durch Erwärmen der beiden zu verbindenden Elemente bis zum jeweiligen Erweichungspunkt und anschließendes miteinander in Kontakt bringen derselben entsteht, ohne zusätzliches Verbindungsmittel.

Außerdem ist das Entladungsrohr im Bereich der Verschmelzung entlang des gesamten Umfangs derart verengt, dass die Verengung den Rand des tellerförmigen Verschlusselements ringförmig umgibt. Der Begriff "teller förmiges Verschlusselement" ist dabei dahingehend verallgemeinert zu ver stehen, dass dieses Verschlusselement lediglich dazu geeignet sein muss, in das Entladungsrohr eingeschoben zu werden und das Ende des Rohres in der beschriebenen Weise verschließen zu können. Im einfachsten Fall handelt es sich dabei um eine kreisförmige Scheibe. Geeignet sind aber auch andere Ausgestaltungen sofern sie nur einen kreisförmigen Umfang aufweisen, bei spielsweise ein zylinderförmiger Stopfen o. ä..

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung dieser Entladungslampe sieht das Bereitstellen des tellerförmigen Verschlusselements vor, wobei des sen Durchmesser geringfügig kleiner gewählt wird als der Innendurchmes ser des Entladungsrohrs. Dieses tellerförmige Verschlusselement wird an einem zu verschließenden Ende des Entladungsrohrs derart eingeführt, dass zunächst ein ringförmiger Spalt verbleibt, typisch im Bereich von einigen Hundert Mikrometern, beispielsweise ca. 100 µm bis 300 µm. Die geeignete Spaltweite ergibt sich einerseits aus der Anforderung, dass das tellerförmige Verschlusselement möglichst gut in das Entladungsrohr einführbar sein soll. Andererseits muss der Spalt am Ende der Herstellung des Entladungsgefä ßes auch wieder gasdicht geschlossen werden. Insofern ist es vorteilhaft, wenn der Spalt nicht übermäßig weit ist, da ansonsten die Verengung ent sprechend tief auszuführen ist. Vorteilhaft ist es außerdem, zuvor sowohl das tellerförmige Verschlusselement als auch das zu verschließenden Ende des Entladungsrohrs vorzuheizen. Anschließend wird das Verschlussele ment und das Entladungsrohr im Bereich des Verschlusselements bis zur Erweichungstemperatur erwärmt. Bei Erreichen der Erweichungstemperatur wird das Entladungsrohr schließlich derart verengt, dass sich der gesamte Rand des Verschlusselements mit der Entladungsrohrwand im Bereich der Verengung gasdicht verbindet.

Zum Zwecke der Verengung wird beispielsweise mittels einer Rolle aus hochschmelzendem Material, z. B. einer Graphitrolle, der erweichte Teil der Wand des Entladungsrohrs auf den Rand des Verschlusselements gedrückt, wobei die Rolle bezüglich des Umfangs des Entladungsrohres rotiert. Bei den oben genannten typischen Spaltweiten hat sich eine radiale Tiefe der Veren gung von einigen Zehntel Millimeter, typisch im Bereich von ca. 0,1 mm bis 1 mm, bevorzugt zwischen 0,2 mm und 0,8 mm, besonders bevorzugt zwi schen 0,4 mm und 0,6 mm, beispielsweise 0,5 mm, als ausreichend erwiesen.

Bevorzugt wird für das Entladungsrohr und das tellerförmige Verschluss element die gleiche Glassorte verwendet. Aufgrund der folglich ebenfalls gleichen Ausdehnungskoeffizienten sind die Spannungen kleiner als bei Verwendung eines zusätzlichen Verbindungsmittels wie im Stand der Tech nik. Dort ist nämlich die Gefahr unvermeidbarer Spannungen aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten zwischen Verbindungsmittel, z. B. Glaslot, und dem Entladungsrohr, z. B. aus Natronkalkglas, entsprechend hoch.

Die beim Verschmelzen üblicherweise entstehenden Wärmespannungen können durch nachträgliches Tempern abgebaut werden.

Die Glasverschmelzung und nachfolgende Temperung können relativ schnell durchgeführt werden, da die zu verschmelzenden Komponenten di rekt erwärmt werden können, im Unterschied zum Stand der Technik wo zuerst der Binder aus den Sinterteilen ausgetrieben oder Glasfritten aufge schmolzen werden müssen.

Außerdem ist die erfindungsgemäße Glasverschmelzung billiger, da das zu sätzliche Verbindungsmittel entfällt.

In einer bevorzugten Variante ist die dem Innern des Entladungsgefäßes zu gewandte Seite des tellerförmigen Verschlusselements mit einer reflektieren den Schicht, z. B. TiO₂, Al₂O₃ oder einer Interferenzschicht belegt. Dadurch wird das ansonsten aus der Stirnseite des Entladungsgefäßes austretende Licht zurückreflektiert und so die Leuchtdichte im Randbereich erhöht, was wegen des ansonsten in Richtung zu den Lampenenden hin üblichen Leucht dichteabfalls ausdrücklich erwünscht ist.

Außerdem kann es vorteilhaft sein, das tellerförmige Verschlusselement mit einer Öffnung und einem an diese Öffnung angeformten Pumprohr zu ver sehen. Auf diese Weise kann die Lampe bei der Herstellung mit Hilfe dieses Pumprohrs evakuiert bzw. befüllt werden. Alternativ kann aber auch auf diese Öffnung und das Pumprohr verzichtet werden, wenn nämlich die Lampe in einer evakuierbaren Kammer, beispielsweise einem Vakuumofen hergestellt wird.

Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen dielektrischen Barriere-Entladungslampe verwendet die bereits eingangs erwähnten Innen elektroden. Dabei ist mindestens eine Elektrode auf der Innenwand des Ent ladungsrohres angeordnet und im Bereich der Verengung durch die Verbin dung zwischen Innenwand und Verschlusselement hindurch gasdicht nach außen geführt. Das Entladungsrohr ragt etwas über die Verengung hinaus, um eine Kontaktfläche für den Anschlussteil der Innenelektroden zu bieten. Zwar bewirkt die erfindungsgemäße Verbindung eine gewisse Verdrängung der dielektrischen Barriere und insofern wäre auch eine Störung der Funkti on dieser dielektrischen Innenelektrode zu erwarten gewesen. Allerdings hat sich überraschenderweise keine negative Auswirkung der lokalen Deforma tion der dielektrisch behinderten Innenelektrode auf die dielektrisch behin derte Entladung gezeigt. Voraussetzung hierfür ist aber, dass die Verengung genau im Bereich des tellerförmigen Verschlusselements ist. Genauer gesagt sollte die axiale Ausdehnung der Verengung im wesentlichen auf die axiale Ausdehnung des tellerartigen Verschlusselements entlang der Innenwand des Entladungsrohres beschränkt sein. Die in der unmittelbaren Nähe der Verengung zwangsweise auftretende halbrunde Krümmung der Elektroden bahn in Richtung zur Entladungsrohrachse bewirkt zwar lokal eine geomet rische Verkürzung der Schlagweite. Allerdings wird dadurch offensichtlich das elektrische Feld in dem der Verschmelzung angrenzenden Bereich in der Weise deformiert, dass sich die in der bereits erwähnten WO 98/49712 be schriebenen Einzelentladungen von dem tellerförmigen Verschlusselement wegbiegen. Dadurch wird die effektive Schlagweite vergrößert und zusätz lich vermieden, dass sich die Einzelentladungen unerwünscht hauptsächlich entlang des tellerartigen Verschlusselements ausbilden. Für weitere Details wird auf das Ausführungsbeispiel verwiesen.

Beschreibung der Zeichnungen

Im folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele nä her erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 ein einseitig verschlossenes Entladungsrohr,

Fig. 2a ein Längsschnitt des unverschlossenen Endes des Entladungsrohrs aus Fig. 1 mit eingesetztem Verschlusselement,

Fig. 2b ein Querschnitt durch das Entladungsrohr aus Fig. 2a entlang der Linie AA,

Fig. 3 ein Längsschnitt durch das Ende des Entladungsrohrs aus Fig. 1 mit eingeschmolzenem Verschlusselement,

Fig. 4 den zeitlichen Temperaturverlauf innerhalb eines Ofens während der Herstellung der erfindungsgemäßen Barriere-Entladungslampe,

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel einer fertigen Barriere-Entladungslampe.

Die nachfolgenden Fig. 1 bis 3 dienen zur Illustration des Verfahrens zur Herstellung der erfindungsgemäßen dielektrischen Barriere-Entladungs lampe.

Fig. 1 zeigt ein Entladungsrohr 1 aus Natronkalkglas, das an einem ersten Ende 2 zunächst noch offen, an dem anderen Ende 3 aber bereits mittels ei ner stumpfen Verschmelzung 4 verschlossen ist.

Die Fig. 2a, 2b zeigen das offene Ende 2 des Entladungsrohres 1 in einer schematischen Längsschnitt- bzw. Querschnittdarstellung entlang der Linie AA. Die Innenwand des Entladungsrohres 1 ist bereits mit zwei diametral angeordneten linienförmigen Innenelektroden 5a, 5b aus Silber versehen, die mit einer dielektrischen Barriere 6a, 6b aus Glas abgedeckt sind. In dem offe nen Ende 2 des Entladungsrohres 1 ist außerdem bereits ein tellerförmiges Verschlusselement 7 zentrisch angeordnet. Der Außendurchmesser des tel lerförmigen Verschlusselements 7 ist etwas kleiner als der Innendurchmesser abzüglich der Dicke der beiden Innenelektroden 5a, 5b einschließlich ihrer Barrieren 6a, 6b, so dass über den gesamten Umfang ein kleiner Spalt 11 von ca. 100 µm bis 300 µm verbleibt. Das Verschlusselement 7 weist eine zentri sche Bohrung 8 auf, an die ein Pumprohr 9 integral angeformt ist.

Die Fig. 3 zeigt ähnlich wie die Fig. 2a das offene Ende 2 des Entladungs rohres 1 in einer schematischen Längsschnittdarstellung, allerdings nach der Verschmelzung des Randes des tellerförmigen Verschlusselements 7 mit dem gegenüberliegenden Teil der Innenwand des Entladungsrohres 1. Die eigentliche Verschmelzung ist, in Fig. 3 nicht erkennbar, weil der Längs schnitt entlang der Elektroden 5a, 5b bzw. der Barrieren 6a, 6b geht. Gut er kennbar ist aber die um den Rand oder genauer gesagt die Umfangsfläche des tellerförmigen Verschlusselements 7 herumführende Verengung 10. Die Tiefe der Verengung beträgt ca. 0,5 mm. Erkennbar ist auch die leichte Quet schung der beiden Barrieren 6a, 6b im Bereich der Verengung 10 sowie die halbrunde Krümmung 12a, 12b der Elektroden 5a, 5b in dem unmittelbarer an die Verengung 10 angrenzenden Bereich innerhalb des Entladungsrau mes.

Die Fig. 4 zeigt den für eine spannungsfreie Verschmelzung geeigneten zeitlichen Temperaturverlauf innerhalb eines Ofens (nicht dargestellt) bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Lampe. Nach der ca. 50 Sekunden dau ernden im wesentlichen linearen Aufheizphase auf eine Temperatur von ca. 640°C wird die Temperatur für ca. 10 Sekunden (s) konstant gehalten. Da nach schließt sich die Temperung an, während der die Temperatur innerhalb einer Zeitspanne von ca. 110 s näherungsweise exponentiell auf eine Tempe ratur von ca. 370°C abgekühlt wird. Die in Fig. 3 dargestellte Verschmel zung zwischen tellerförmigem Verschlussteil 7 und der angrenzenden In nenwand des Entladungsrohres 1 mit Hilfe lokaler Erwärmung bis zum Er weichungspunkt der zu verschmelzenden Komponenten und der anschlie ßenden Verengung 10 - dieser Vorgang wird auch als Einrollung bezeich net - beginnt kurz vor dem Erreichen der Haltetemperatur von ca. 640°C und dauert typisch ca. 10 s.

Im Folgenden wird zusätzlich auf die Fig. 5 Bezug genommen, die die fer tige Lampe 13 darstellt. Gleiche Merkmale wie in den vorrangegangenen Darstellungen sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die beiden Innen elektroden und die zugehörigen dielektrischen Barrieren sind in dieser Dar stellung nicht erkennbar. Nach dem Befüllen des Entladungsrohres 1 über das Pumprohr 9 wird letzteres zu einer Pumpspitze 14 abgeschmolzen. Da nach kann die Lampe bei Bedarf gesockelt werden.

Claims

1. Dielektrische Barriere-Entladungslampe (13) mit einem geschlossenen rohrförmigen Entladungsgefäß (1, 4, 7) und mit länglichen Elektro den (5a; 5b), wobei das Entladungsgefäß (1, 4, 7) aus einem an seinen beiden Enden verschlossenen Entladungsrohr (1) besteht, dadurch ge kennzeichnet, dass zumindest ein Ende des Entladungsrohres (1) mit Hilfe eines tellerförmigen Verschlusselements (7) verbindungsmittelfrei gasdicht verschlossen ist, indem das bzw. jedes Verschlusselement (7) an dem jeweiligen Ende (2) innerhalb des Entladungsrohres (1) ange ordnet und über seinen gesamten Umfang unmittelbar mit der Innen wand des Entladungsrohres (1) gasdicht verbunden ist, wobei das Ent ladungsrohr (1) im Bereich der Verbindung entlang des gesamten Um fangs verengt ist derart, dass die Verengung (10) den Rand des teller förmigen Verschlusselements (7) ringförmig umfasst.

2. Entladungslampe nach Anspruch 1, wobei die axiale Ausdehnung der Verengung (10) im wesentlichen auf die axiale Ausdehnung des teller artigen Verschlusselements (7) entlang der Innenwand des Entladungs rohres beschränkt ist.

3. Entladungslampe nach Anspruch 1 oder 2, wobei die radiale Tiefe der Verengung (10) im Bereich von ca. 0,1 mm bis 1 mm, bevorzugt zwi schen 0,2 mm und 0,8 mm, besonders bevorzugt zwischen 0,4 mm und 0,6 mm liegt.

4. Entladungslampe nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens eine Elektrode (5a; 5b) auf der Innenwand des Entladungs rohres (1) angeordnet und im Bereich der Verengung (10) durch die Verbindung zwischen Innenwand und Verschlusselement (7) hindurch gasdicht nach außen geführt ist.

5. Entladungslampe nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das tellerförmige Verschlusselement (7) eine Öffnung (8) aufweist, an die ein Pumprohr (9) angeformt ist.

6. Entladungslampe nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die dem Innern des Entladungsgefäßes zugewandte Seite des tellerförmi gen Verschlusselements mit einer reflektierenden Schicht belegt ist.

7. Entladungslampe nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Entladungsrohr über das Verschlusselement (7) hinausragt.

8. Entladungslampe nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Entladungsrohr (1) und das tellerförmige Verschlusselement (7) aus der gleichen Glassorte bestehen.

9. Verfahren zur Herstellung einer Entladungslampe gemäß den Ansprü chen 1 bis 8 mit folgenden Verfahrensschritten:

- Bereitstellen eines tellerförmigen Verschlusselements (7), dessen Durchmesser kleiner ist als der Innendurchmesser des Entladungs rohrs (1),
- Einführen des tellerförmigen Verschlusselements (7) an einem zu verschließenden Ende (2) des Entladungsrohrs (1) derart, dass ein ringförmiger Spalt verbleibt,
- Erwärmen des Verschlusselements (7) und des Entladungsrohrs (1) im Bereich des Verschlusselements bis zur Erweichungstemperatur,
- Verengen des Entladungsrohrs (1) derart, dass der Rand des Ver schlusselements (7) mit der Innenwand des Entladungsrohrs (1) im Bereich der Verengung (10) miteinander gasdicht verbunden wer den.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei zum Zwecke der Verengung eine Rolle aus hochschmelzendem Material den erweichten Teil der Wand auf den Rand des Verschlusselements drückt.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei das tellerförmige Ver schlusselement (7) und das zu verschließenden Ende (2) des Entla dungsrohrs (1) vor dem Einführen vorgeheizt werden.